用于制造球形鈦和鈦合金粉末的低成本方法
【專利摘要】低成本球形鈦和鈦粉末合金粉末通過將例如為氬氣的惰性氣體流沖擊鈦或者海綿體和合金元素的熔池表面來制造。
【專利說明】用于制造球形鈦和鈦合金粉末的低成本方法
【背景技術(shù)】
[0001]金屬粉末提供了用于制造組分的多種應(yīng)用。金屬粉末特別地用于燒結(jié)方法以及近凈成形快速制造的熔融方法中的進料。金屬粉末理想地為提供良好的流動性和包裝密度的球形形態(tài)。鋼和許多其它的金屬粉末被廣泛用于制造低成本組分。長久以來一直在尋求利用鈦合金粉末來制造組分，但主要由于鈦粉末成本偏高而沒有被廣泛地利用。在2010至2011年間，球形鈦粉末的成本為$150/lb成本范圍。在如此高成本的情況下，僅對成本很不敏感的應(yīng)用利用球形鈦粉末來制造組分產(chǎn)品被實施。
[0002]球形鈦粉末的成本偏高大部分是因為用以由海綿體來制造合金鈦錠、并且隨后通過使用數(shù)種方法中的一種來熔化產(chǎn)物球形鈦粉末的傳統(tǒng)方法成本較高。頂尖水準的鈦方法為非常大規(guī)模的和批量分離的操作。典型地，Kroll海綿體方法在大的曲頸瓶中實施，在數(shù)天的操作下制造約10噸的批料，其通過在曲頸瓶中將TiCl4添加至熔融的鎂中，并從曲頸瓶排出所獲得的熔融MgCl2，隨后進行一周或數(shù)周的真空蒸發(fā)以移除殘留的MgCl2和未反應(yīng)的Mg。真空提純的海綿體隨后在非常大的凝殼爐中熔融，熱量通過電子束或等離子體來供給。合金元素隨后可被添加至大噸尺寸的熔體以制造所期望的合金組分，例如T1-6A1-4V，其隨后被鑄成錠。通常會進行三重熔融以獲得均一的合金。因此，鈦錠價格呈周期性的，其也會影響球形鈦粉末的高成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了用于制造低成本球形鈦粉末的方法。在本發(fā)明的一個方面中，鈦海綿體被輸送至等離子體加熱系統(tǒng)，在其中還輸送有所期望合金金屬的預(yù)合金粉末，例如鋁和釩，或者單獨輸送的鋁和釩粉末可以被單獨地輸送至等離子體工作站，它們會通過等離子體熔融以連續(xù)的方式來制造均一合金、例如T1-6A1-4V的熔池或者熔體流。熔融合金組合物通過將惰性氣體流在可控條件下沖擊穿過所述池表面或者經(jīng)過所述流，以基于冷卻來爆破熔體合金的小滴，制造球形鈦合金粉末，例如T1-6A1-4V。成本顯著節(jié)約。鈦海綿體的成本呈周期性的，其價格在2010-2011年間為$3至$ 10/lb，典型地為$4至$6/lb。用以操作等離子體在可控的池尺寸內(nèi)熔融鈦合金并產(chǎn)生球形粉末的成本范圍為約$l_$2/lb，其提供了用以由典型的$10_$15/lb范圍的海綿體來源來制造球形T1-6A1-4V粉末的基礎(chǔ)，其相對于傳統(tǒng)方法制造球形鈦粉末的成本(正如上文，其成本范圍為$150/lb)有顯著節(jié)約。
[0004]在本發(fā)明的另一個方面中，電解產(chǎn)生的鈦在惰性氣氛或者被加熱至800-1600°C的真空下被輸送至等離子體加熱的蒸發(fā)器，其快速地蒸發(fā)被返回至電解池的熔鹽電解質(zhì)，并且所保留的鈦被輸送至將額外的熱量供給至熔體和合金的等離子體加熱工作站，類似于上述以均一的球形合金粉末進料的海綿體的鈦由等離子體加熱工作站通過在可控條件下將惰性氣體流沖擊在熔體上，進而分散所述熔體以基于冷卻來爆破熔體合金的小滴產(chǎn)生鈦合金球形粉末而制造。再一次地，顯著節(jié)約成本。電解鈦可以以最終成本為約$1.50-$2.50/Ib來制造，其為制造$10/lb以下的均一球形鈦合金粉末提供了基礎(chǔ)。用于將鹽電解鈦流從約500°C提高至超過900°C以快速地閃蒸該鹽的熱源可以是傳統(tǒng)的電阻、輻射、感應(yīng)、微波或等離子體。等離子體加熱典型地用于將液體鈦球形化為球形粉末。
[0005]不同于傳統(tǒng)的Kroll方法，本發(fā)明的方法可以以連續(xù)的方式利用少部分的加熱來實施。例如，在閃蒸含有MgCl2和Mg的殘留電解質(zhì)鹽鈦粉末或者海綿體的情況中，即刻被加熱的量為IOg至lOOKg，并且優(yōu)選為IOOg至lOKg，其與被等離子體熔融并合金化的鈦量相似。均勻的合金化在本發(fā)明的小熔池中即刻實現(xiàn)。
[0006]在傳統(tǒng)的迄今為止頂尖的Kroll方法中，使得海綿體、真空蒸發(fā)、熔融及合金并鑄成錠，至少耗費20天的時間來加工10噸批料，其轉(zhuǎn)化成約1，OOOlbs/天(454Kg/天)。對于制備合金粉末來說，會耗費額外的時間，其進一步降低了粉末生產(chǎn)的單位速率。在本發(fā)明中，閃蒸鹽和等離子體熔融的殘留時間相當快速，即根據(jù)等離子體或其它加熱方式所供給的熱量或者熱流，低至I分鐘并且典型地不超過10分鐘。甚至是在更低的加熱速率下、例如10分鐘，以及少量材料、例如Ikg的情況下，在一小時內(nèi)將會加工60kg并且每天為1440Kg，其遠遠地超過了迄今為止頂尖的成熟的大批量Kroll方法。在本發(fā)明的生產(chǎn)操作中，生產(chǎn)能力將更加可能在三分鐘內(nèi)加工10Kg，由此每天制造4，800Kg，從而提供有利的規(guī)模容量和經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點將根據(jù)下文結(jié)合附圖的詳細說明和實施例來說明，其中:
[0008]圖1為示意圖并且圖1a為放大視圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式制造球形鈦粉末的方法；
[0009]圖2為示意圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式形成球形合金鈦顆粒的方法；
[0010]圖3為示意圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式形成球形合金鈦顆粒的方法；
[0011]圖4為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式制得的球形鈦合金粉末的掃描電子顯微鏡圖像；
[0012]圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式制得的球形鈦合金粉末的掃描電子顯微鏡圖像；
[0013]圖6為根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式制得的球形鈦合金粉末的掃描電子顯微鏡圖像。
【具體實施方式】
[0014]參考圖1和la，在本發(fā)明的第一實施方式中，鈦海綿體14被傳輸至在圖1中所示的以10指示的美國專利申請?zhí)枮閁S2006/0185473-A1的轉(zhuǎn)移電弧等離子體(PTA)焊炬，其內(nèi)容在這里通過參考而被納入。鋁-釩的預(yù)合金粉末或者合金元素的混合物由粉末進料20以可控的速率被添加至等離子體噴槍，從而制造合金T1-6A1-4V。約1/2英寸直徑、1/8至1/4英寸深的合金T1-6A1-4V熔池22在目標基底24上形成。
[0015]例如為氬氣的惰性氣體流連續(xù)地從噴嘴26吹出，從而在22沖擊至熔池表面，進而爆破所述池的熔體合金的小滴，其基于冷卻而被固化為球形合金顆粒。源自噴嘴26的惰性氣體流應(yīng)當被控制從而以45至180度的角度、以10至1000升/分鐘的速度沖擊至熔池的表面，從而在與形成所述池相同的速度下爆破源自所述池的熔體合金。熔體合金作為基本上均勻尺寸的精細小滴從所述池的表面吹出，其幾乎即刻就會被冷卻以形成基本上均勻尺寸的合金顆粒，在顆粒收集擋板28處偏斜并由于重力而被收集。
[0016]任選地，目標基底24可以振動，例如通過超聲變幅桿或者壓電振動器200(圖la)，從而輔助顆粒從熔池中抬升并撞出。
[0017]可替換地，除了在基底24初始收集的由熔體合金產(chǎn)生的PTA，源自PTA的熔融鈦合金流可以利用氬氣流進行沖擊以將鈦合金顆粒流破碎為更小的顆粒，其隨后在液氬中被淬火為球形粉末。
[0018]參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，TiCl4和Mg蒸氣被引入至流化床反應(yīng)器112的反應(yīng)區(qū)域110中，其中，它們可以通過均質(zhì)核化進行反應(yīng)來制造小顆粒，典型地在I微米之下，其在反應(yīng)器氣流的速度下、在被設(shè)計用以收集這樣的小顆粒的一系列旋流器114中收集。小顆粒被回收至流化床反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)域110中，其中，它們通過TiCl4和Mg蒸氣反應(yīng)的額外沉積來構(gòu)建。持續(xù)回收，直至顆粒生長為所需要的尺寸范圍，例如40微米至300微米。隨著顆粒逐漸地長大，它們會變得更重并停留在反應(yīng)器的底部，其中，它們可以由通過連接至流化床反應(yīng)器底部的管道116的重力流而被提取，即如在本人更早提出的美國專利US7, 914，600中所描述的，其內(nèi)容在這里通過參考而被納入。
[0019]所提取出的顆粒隨后被導(dǎo)流至淺加熱槽118，從而形成合金的熔池120。氬氣122流通過蒸氣而吹出，或者被吹至熔池表面以爆破鈦合金顆粒，如前所述，其通過管道124而從槽118中抽取出。
[0020]參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式，在根據(jù)本人前述的859申請中的圖2的電解池中，在模塊140，鈦粉末通過鎂還原TiCl4而制得，如在本人提交的審查中的申請12/016，859中所描述的，其內(nèi)容在這里通過參考而被納入。包含鈦粉末的MgCl2漿流被制造并傳輸至鹽蒸發(fā)系統(tǒng)142中，其中，殘留的鹽通過加熱而被蒸發(fā)。加熱可以通過在惰性氛圍下的電阻、感應(yīng)、輻射、微波或等離子體實現(xiàn)，如果需要，可以在減壓下輔助蒸發(fā)。在MgCl2鹽蒸發(fā)之后，所獲得的鈦粉末以及合金金屬粉末被輸送至PTA熔融體系，類似于在圖1中所示的，并且通常在模塊144中說明，基本上均一的球形合金粉末通過源自PTA的合金熔體流的熔融合金小滴的爆破，或者如前所述在基底上的池中收集，并且如前所述冷卻并收集固化粉末來制造。
[0021]本發(fā)明將結(jié)合下述非限制性的實施例來進一步描述:
[0022]實施例1
[0023]清潔的蒸發(fā)鈦海綿體被傳輸至由CNC型方法來控制的轉(zhuǎn)移電弧等離子(PTA)熱源，如在美國公開的申請US2006/0185473-A1中所描述的，其中共傳輸有在可控速率下的鈦-釩預(yù)合金粉末，以制造T1-6A1-4V合金的熔池。熔池具有約1/2英寸的直徑以及1/8至1/4英寸的深度。氬氣流被連續(xù)地吹過熔池，由此產(chǎn)生例如在圖4的SEM圖像中所示的球形粉末。連續(xù)地實施進料的輸送以及利用PTA的熔融，吹掃球形顆粒的氬氣流由此連續(xù)地產(chǎn)生球形合金顆粒。
[0024]實施例2
[0025]重復(fù)實施例1的方法，除了熔融PTA產(chǎn)生的熔池被收集在具有孔口的目標上，熔體鈦合金通過其而圍繞氬氣流滴落。熔體合金流通過氬氣流而被碎裂為顆粒，并且顆粒在粉末捕集容器的底部在液氬中被淬火為球形粉末。所產(chǎn)生的鈦粉末在圖5中示出。[0026]實施例3
[0027]電解質(zhì)鈦粉末通過根據(jù)美國專利US7, 914，600、US7，410, 562和US7, 794，580的方法來制造或者可替換地通過使四氯化鈦(TiCl4)進入至包含KCl-LiCl的鹽電解質(zhì)中來制造。鈦粉末在連續(xù)構(gòu)建的具有輸出泵流的電解質(zhì)系統(tǒng)中，在約500°C下，包含約15%的鈦粉末和75%的液體鹽下制造。電解質(zhì)鈦粉末鹽流被泵送至由感應(yīng)加熱至約1000°C的淺槽中。所述槽具有約10托的微真空，其在約3分鐘的時間內(nèi)完全地蒸發(fā)KCl-LiCl鹽。殘留的電解質(zhì)鈦粉末與一定比例的鋁和釩粉末共同輸送以在混合的鈦和Al-V粉末的等離子體熔體中制造T1-6A1-4V合金，在其反方向上吹送產(chǎn)生如圖6所示的T1-6A1-4V球形鈦合金粉末的氬氣。
[0028]實施例4
[0029]運行標準的Kroll反應(yīng)以產(chǎn)生鈦海綿體。在排出殘留的未反應(yīng)的Mg的副產(chǎn)物MgCl2之后，含有殘留的MgCl2和Mg的海綿體被直接輸送至等離子體系統(tǒng)，如在實施例3中所描述的，而無需預(yù)蒸發(fā)殘留的18(:12和1%。等離子體熔化鈦并蒸發(fā)MgCl2和Mg。用氬氣吹過熔體表面上的等離子體電極，爆破液體鈦的小滴，其被冷卻并產(chǎn)生球形鈦顆粒，如前所述收集。
[0030]實施例5
[0031]重復(fù)實施例4的方法，除了 Al-V合金或者作為單獨的粉末與包含殘留的MgCl2和Mg的鈦海綿體一起輸送之外，從而產(chǎn)生鈦合金粉末。
[0032]實施例6
[0033]如在本人審查中的申請12/016,859中所描述的，鈦粉末使用鎂還原的TiCl4來制造，其在約800°C下產(chǎn)生MgCl2流，包含約20%的鈦粉末。漿流被輸送至如在實施例3中所描述的鹽蒸發(fā)系統(tǒng)中。在MgCl2鹽蒸發(fā)之后，鈦粉末與鉻和鑰粉末一起被輸送至PTA熔融系統(tǒng)，如在實施例1和2中所描述的，并且由實施例2產(chǎn)生的球形合金粉末被制造為由T1-5Cr-2Mo構(gòu)成。以類似的方式，可制造Ti_8 A 1-1Mo-1V合金的顆粒。
[0034]可以理解的是，任意的鈦合金組分均可以通過將合金元素與鈦粉末共同傳輸至等離子體熔爐而被制造為球形合金粉末或者可替換地為錠。還可以理解的是，可添加與熔融鈦反應(yīng)或者保持未反應(yīng)的顆粒以結(jié)合至球形鈦合金粉末中。反應(yīng)粉末的例子為二硼化鈦、氮化鋁或者碳化硼，二硼化鈦反應(yīng)后在冷卻下提供硼化鈦，氮化鋁在冷卻下給出氮化鈦和Al3Ti,碳化硼在冷卻下給出硼化鈦和碳化鈦。顆粒的非限制性例子比包括二氧化鉿或氧化鈣的鈦更加穩(wěn)定。而且，有利地，可采用除了氬氣之外的其他惰性氣體。
[0035]給出上文的說明、實施方式和實施例以闡述本發(fā)明的范圍和實質(zhì)。顯然，可以在范圍內(nèi)所描述的實施方式和設(shè)置中做出許多變形，并不意圖對其進行嚴格的限制，并且其它的改進和變形可以在本發(fā)明范圍內(nèi)以及權(quán)利要求中采用。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造球形鈦合金粉末的方法，所述方法包含形成添加有合金元素的鈦的熔池或者海綿體流，令惰性氣體流沖擊穿過熔池表面，或者通過所述海綿體流，從熔池或者流撞出鈦合金小滴顆粒，并且冷卻并固化所撞出的小滴顆粒以形成球形鈦合金粉末。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中熔池或者流在等離子體加熱系統(tǒng)中形成。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中熔池或者流通過共同熔化鈦海綿體和合金元素的進料而形成。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中所述合金元素包含鋁和釩。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述合金元素為預(yù)合金的。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述惰性氣體包含氬氣。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熔池為振動的。
8.一種用于制造鈦合金粉末的方法，所述方法包含形成電解質(zhì)產(chǎn)生的包含殘留的鹽的鈦粉末的熔池或流，蒸發(fā)所述鹽，將鹽耗盡的鈦與合金元素一起輸送至等離子體加熱系統(tǒng)從而形成鈦合金的熔池或流，令惰性氣體流沖擊穿過熔池的表面或者通過鈦合金流，從而從熔體撞出鈦的小滴顆粒，并且冷卻并固化撞出的小滴顆粒從而形成球形鈦合金粉末。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述殘留的鹽通過在減壓的惰性氛圍中加熱而蒸發(fā)。
10.權(quán)利要求8 所述的方法，其中所述惰性氣體包含氬氣。
11.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述熔池為振動的。
12.一種用于制造球形鈦合金顆粒的方法，所述方法包含在等離子體熔化器中共同熔化包含殘留氯化鎂和鎂金屬的鈦海綿體以及合金元素，蒸發(fā)氯化鎂和鎂以形成鈦合金熔體的熔池或流，并令惰性氣體流沖擊穿過鈦合金熔體表面或通過流以撞出鈦合金小滴顆粒，并且冷卻撞出的小滴顆粒以產(chǎn)生球形合金鈦粉末顆粒。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述惰性氣體包含氬氣。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述小滴顆粒通過令合金熔體穿過由惰性氣體的流所圍繞的孔口而形成。
15.權(quán)利要求14所述的方法，包括在氬氣的液體池中收集小滴顆粒的步驟。
16.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述池為振動的。
17.一種用于制造球形鈦合金顆粒的方法，其中，電解產(chǎn)生的鈦粉末在鹽電解質(zhì)流中在500°C或更高的操作溫度下被輸送至在900°C或更高溫度下并在減壓下感應(yīng)加熱的蒸發(fā)器中，從而蒸發(fā)返回至電解質(zhì)池的鹽電解質(zhì)，并且所獲得的鈦粉末與合金元素一起被輸送至等離子體熔化器以制造熔融合金的池或流，改進在于令惰性氣體沖擊熔池或通過流從而撞出小滴顆粒，并且冷卻并固化所撞出的小滴顆粒從而產(chǎn)生球形鈦合金粉末。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述池為振動的。
19.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述合金為T1-6A1-4V。
20.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述合金為T1-6A1-4V。
21.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述合金為T1-6A1-4V。
22.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述合金為T1-8Al-lMo-lV。
23.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述合金為T1-8Al-lMo-lV。
24.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述合金為T1-8Al-lMo-lV。
25.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熔體由錠形成。
26.權(quán)利要求1所述的方法，基于連續(xù)的方式來實施。
27.權(quán)利要求12所述的方法，基于連續(xù)的方式來實施。
28.權(quán)利要求17所述的方法`，基于連續(xù)的方式來實施。
【文檔編號】C22C14/00GK103608141SQ201280020807
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月27日
【發(fā)明者】詹姆斯·C·威瑟斯, 拉烏夫·盧特菲 申請人:材料和電化學(xué)研究公司